27 February, 2020 Revista Digital sobre Patentes, Marcas y Propiedad Intelectual

Impresión 3D, una técnica no-convencional de manufactura

FUENTE: ADRIANNI ZANATTA ALARCÓN and ANDRÉS RAMÍREZ PORTILLA, Departamento de Ingeniería Mecánica, Politecnico di Milano. Via La Masa 1, 20156 Milano, Italia. [email protected] [email protected]

 

La industria de la manufactura es un sector que se encuentra en un constante cambio, buscando siempre mejorar la calidad y reducción de costos de los productos; es así que dentro de las tendencias tecnológicas en innovación se posiciona la mejora continua de los productos finales; pero, para lograr una innovación constante de un producto, se tiene que tener a consideración los procesos de manufactura.

 

Para que las empresas basadas en la manufactura puedan lograr entregar sus nuevos y personalizados productos cada vez más rápido y ganar más consumidores en el mercado, tienen que apostar por procesos de manufactura innovadores, uno de ellos es la Manufactura Aditiva (MA), la cual es una técnica de manufactura que permite producir piezas o productos de alta calidad y de bajo costo, alcanzando altas tolerancias geométricas – dimensionales y una alta optimización de la materia prima.

 

Actualmente las técnicas tradicionales de manufactura como: extrusión, laminación, forja, maquinado, etc., permiten la producción de una gran gama de piezas en diferentes tipos de materiales con resultados satisfactorios. Sin embargo, estas técnicas también presentan las siguientes desventajas: altos tiempos de procesamiento, alto uso de materia prima, alta cantidad de merma, alto porcentaje de reprocesos para obtener la pieza deseada y principalmente la alta complejidad para elaborar piezas tridimensionales con tolerancias geométricas de alta precisión. Es por esto que la MA se perfila como una tecnología que cambiará paradigmas de los procesos productivos en el sector de la manufactura.

 

La evolución de la MA tiene su origen con la Manufactura Rápida (MR), que produce directamente piezas o productos listos para su uso. La MR es a su vez direccionada por la tecnología de Prototipado Rápido (PR), una técnica que consiste en la realización de artículos de plástico, metal o cerámica a través de la implementación de una máquina que permite importar un diseño elaborado por CAD con el lenguaje .stl (fichero estereolitográfico) y ser fabricado capa por capa gracias a un sistema de coordenadas geométricas. Con esta tecnología cada capa es construida por la técnica de moldeo por inyección y extrusión o por moldeo por soplado, técnicas que permiten minimizar el uso de materia prima y por consecuencia de material de desecho. Esto se hace con el fin de obtener una pieza final, que en realidad es una muestra conceptual, que nos permite identificar y analizar de forma visible el objeto para ser perfeccionado y posteriormente ser detallado para iniciar su proceso de fabricación en las cadenas de manufactura tradicionales.

 

Con las mejoras tecnológicas y el análisis de resultados, caracterizados mecánicamente, las piezas producidas con MR y PR se sitúan no muy por debajo de las características mecánicas de una pieza construida por las técnicas convencionales de manufactura. Con este precedente las técnicas de PR comienzan a tener diversas variantes entre ellas la Estereolitografía (SLA), técnica patentada en 1986 por Chuck Hull, la cual permite realizar objetos sólidos mediante la implementación de luz ultravioleta, siendo ésta una técnica de adición capa por capa que emplea materiales del tipo resina blanca opaca (ABS) o resinas translúcidas.

 

Posteriormente la tecnología de AM llamada Selective Laser Sintering (SLS) fue realizada y patentada por Carl Deckard y Joe Beaman de la Universidad de Texas en Austin a mediados de los años 1980 y tiene la finalidad de producir prototipos elaborados en materia plástica teniendo como principio de funcionamiento la aplicación de polvos. Con esta tecnología en la plataforma de construcción se vierte una capa de polvo que no supera las decimas de milímetros, siendo ésta precalentada a una temperatura ligeramente inferior a la temperatura de fusión del polvo plástico, posteriormente con la aplicación de un láser del tipo CO2 se sinteriza el polvo en las coordenadas establecidas por el diseño CAD. Es así que las partículas se fusionan y posteriormente se solidifican, fabricando capa por capa hasta obtener la pieza final. Con esta técnica también es posible realizar piezas en metal, cerámicas o cristal.

 

A finales de la década de los 80’s fue patentada la técnica de modelado por deposición fundida (MDF), implementada en su inicio para la producción de prototipos y producción de piezas a pequeña escala. Fue desarrollada por Scott Crump y su principio de operación se basa en el procesamiento de un fichero estereolitográfico (.stl), donde la boquilla de suministro de la materia prima (plástico ABS) es guiada por un sistema de coordenadas geométricas y deposita la materia prima fundida capa por capa, hasta obtener la pieza final. Este tipo de modelado permite la integración de soportes realizados con otro material, que fungen como la base para la realización de la pieza y al finalizar el proceso estas son retiradas.

 

La MDF por su principio de operación permite el desarrollo de piezas elaboradas utilizando como materia prima Chocolate, comenzando así la implementación de la AM en la industria de la gastronomía, logrando realizar diseños complejos con materiales nuevos que al final también son comestibles.

 

Hoy en día con la técnica de SLS se desarrollan pasos certeros para su implementación en el desarrollo de prótesis biocompatibles, a partir de materiales cerámicos biocompatibles como es la Hidroxiapatita en polvo o con la aplicación de materiales biopoliméricos como las poliamidas, obteniendo prótesis de alto grado de calidad y óptimas propiedades mecánicas.

 

La MA también hace su aparición en la industria de la construcción, con la impresora que se presume sea la más grande del mundo fabricada en Italia y llamada Big Delta, destinada a la construcción de hogares utilizando como materia prima el adobe, logrando construir casas de 200 m2 en pocas horas, siendo estas eco-sustentables.

 

La industria de la manufactura es un sector que representa el 30% del desarrollo del Producto Interno Bruto de un país y por lo tanto no es de extrañarse que se invierta en innovación constantemente para modificar y mejorar los procesos de manufactura. Esto con un enfoque sobre todo en aquellos que tienen su base de operación en la transformación de materias primas del tipo de metales, para procesar aleaciones ferrosas y no ferrosas, debido a que en la industria manufacturera la producción de piezas metálicas es fundamental. Prácticamente casi todos los productos que se encuentran en circulación en el mercado estas constituidos por al menos una pieza metálica.

 

Para solventar la demanda de innovar en la producción se ha implementado constantemente en los últimos años el proceso de Manufactura Aditiva conocido como Selective Laser Melting (SLM), que representa la evolución de la técnica SLS. El éxito de la técnica de SLM recae en la capacidad de crear piezas metálicas con formas complejas y características intrínsecas de ingeniería. Su principio de operación es similar al proceso de SLS, contando con una plataforma de construcción donde el polvo viene depositado y extendido por el uso de rodillos. Posteriormente con el uso de un láser y un scanner se transmite la potencia necesaria para producir la temperatura necesaria y realizar la fundición de las partículas, esto con base al diseño previamente compilado en la máquina, fabricando así capa por capa. Todo el sistema es controlado con una atmosfera de un gas inerte para evitar problemas de oxidación.

 

Las ventajas de este tipo de tecnología recaen en la posibilidad de producir partes con propiedades mecánicas más altas o al menos comparables con las piezas producidas por las técnicas convencionales de manufactura. Por lo tanto es claro que esta técnica permite la optimización de los parámetros de procesamiento con el objetivo de obtener piezas con una alta consolidación y propiedades mecánicas satisfactorias.

 

En la actualidad la MA se está consolidando fuertemente en diversas áreas del conocimiento, pero como toda tecnología tiene sus limitaciones. Una de estas es el pequeño volumen de trabajo de las máquinas para crear piezas el cual actualmente es de no más de 800 x 500 x 400 mm. Sin embargo, esta y otras limitaciones tecnológicas están siendo superadas continuamente con los nuevos desarrollos e innovaciones en la MA.

 

Existen varios ejemplos que demuestran como varias industrias y empresas han adoptado la MA como una tecnología de manufactura relevante hoy en día. Airbus, una de las compañías de aeronáutica más innovadoras, ha logrado realizar la impresión del primer avión 3D. Este modelo llamado dron que no cuenta con ventanas está compuesto por 50 partes impresas, dos motores, un control remoto, una longitud de casi cuatro metros y un peso de 17 kg. Este modelo es una clara muestra de la capacidad y las oportunidades que esta tecnología presenta para el sector aeroespacial y otras industrias manufactureras de alta tecnología.

 

Por su parte el sector médico se ha visto beneficiado con el desarrollo de prótesis producidas con todas las técnicas de Manufactura Aditiva. Estas técnicas incluyen desde la creación de prótesis de extremidades mediante la técnica FDM, una rápida producción de prótesis para accidentes de trauma mediante las técnicas de impresión en metales, así como un constante y avanzado desarrollo para la impresión de biomateriales para la realización de biotejidos.

 

Otro sector que está haciendo uso de las técnicas de MA es el sector de la construcción. Un claro e impresionante ejemplo es el Museo del Futuro que es el primer edificio impreso con tecnologías 3D en Dubái. Este cuenta con 250 m2 y fue realizado con una mezcla especial de cemento, capa por capa. Para su elaboración se necesitaron 17 días y un costo de $140,000 dólares.

 

Al hablar de ejemplos de objetos creados por medio de MA en lugar de procesos tradicionales es necesario mencionar el caso de los automóviles. La industria de la automoción fue pionera en el uso de la técnica de MA, realizando el primer carro eléctrico impreso en 3D llamado Strati. Este modelo fue fabricado por primera vez por Local Motors en el 2014 y para su fabricación se requirieron 44 horas y la implementación de un termoplástico. Si bien, este modelo aún tiene muchas áreas de mejorar, su diseño actual le permite alcanzar 64 km/h y ser eco-sustentable, ya que puede ser totalmente reciclado.

 

Hoy en día se están conduciendo diversas investigaciones, tanto para mejorar las técnicas de MA ya mencionadas, como para la caracterización de materiales no utilizados hasta el momento, como las aleaciones de Aluminio, así como la realización de nanomateriales compuestos, con la finalidad de obtener materiales con mejores propiedades mecánicas para su uso en el sector de la automoción y aeroespacial.

 

La Manufactura Aditiva se clasifica como una técnica no convencional de procesos de manufactura, condición que le otorga un podio en materia de innovación, siendo reflejado por la cantidad exponencial de patentes solicitadas, tanto en procesos como en productos relacionados con la MA. Es así que las tecnologías no convencionales ayudan al desarrollo económico-tecnológico, promoviendo avances significativos en diversos sectores tecnológicos, así como el desarrollo intelectual, suscitando un cambio constante en las normativas de la Propiedad Intelectual. Podríamos decir sin temor a equivocarnos que la MA llegó para cambiar los paradigmas productivos en la historia de la manufactura.

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